科學家提出設計抗沖擊性仿貝殼結構新策略

記者21日從中國科學技術大學了解到，該校倪勇教授、何陵輝教授研究團隊發現仿貝殼結構在較高沖擊速度下會喪失優異的抗沖擊耗能機制，其性能弱于普通層狀復合結構；基于此現象，他們提出一種利用不同結構來匹配沖擊速率變化的混合結構抗沖擊設計策略，為抗沖擊性能優化的微結構仿生設計提供了新的思路。相關成果日前發表在國際期刊《自然·通訊》。

貝殼珍珠層是自然材料中最具有代表性的結構仿生模型之一，通過“磚塊—灰泥”結構相關的內在變形機制，可以將能量耗散提升幾個數量級。但在自然環境下，貝殼會經常被捕食者以一定的沖擊速度擊碎，不清楚仿貝殼結構在更大范圍的速度加載下是否仍然具有顯著的抗沖擊性能。

研究團隊制備了激光雕刻結合層壓組裝的仿貝殼玻璃結構，以及三維數字模型結合3D打印的仿貝殼軟硬復合材料結構，通過力學測試—損傷表征的實驗研究并結合數值模擬和理論分析，詳細探究了仿貝殼結構在不同沖擊速度下的力學性能和損傷機制。研究發現，在一定低速沖擊范圍內，仿貝殼結構會表現出卓越抗沖擊耗能，而當沖擊速度超過臨界值時，仿貝殼結構的抗沖擊性能相比于普通層狀結構將不再具有優勢。在低沖擊速度下，仿貝殼結構中的磚塊滑動機制會更早被激活，產生大范圍非彈性變形，并于臨界速度下達到耗能飽和狀態；而層狀結構通過層間大面積脫層和層內裂紋擴展，會在更高的沖擊速度區間內耗散更多的能量。這間接解釋了自然界中具有納米級“磚塊—灰泥”結構的貝殼可能會被捕食者以14.7米/秒—23.5米/秒的速度擊碎的現象。